Come le graminacee prevengono la consanguineità
I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti a dimostrare quali geni impediscono alle graminacee di autofecondarsi. Gli scienziati vegetali possono ora utilizzare questo meccanismo in modo più mirato per creare nuove varietà di erbe da foraggio, riso e orzo.
Mais, riso, grano, canna da zucchero: la famiglia delle erbe dolci ha prodotto alcuni rappresentanti che sono fonti di cibo estremamente importanti per l'uomo e sono stati coltivati e allevati per migliaia di anni. Anche gli animali selvatici e da allevamento dipendono fortemente dalle erbe: Mucche, pecore, cavalli, ma anche bisonti, cervi e zebre mangiano principalmente erba. In Svizzera, quasi il 70% dei terreni agricoli è costituito da pascoli.
Un meccanismo naturale complica l'allevamento
Tuttavia, la riproduzione delle graminacee è intrinsecamente difficile: come molte altre piante da seme, le graminacee hanno sviluppato nel corso dell'evoluzione un meccanismo che impedisce a un individuo di fecondarsi. Gli esperti chiamano questo meccanismo autoincompatibilità. In particolare, garantisce che il polline della pianta stessa o quello di individui strettamente imparentati non possa crescere nell'ovario di una pianta e fecondare le cellule uovo. In questo modo si evita la consanguineità con tutti i sintomi che la accompagnano.
L'autoincompatibilità può essere uno svantaggio per la selezione delle piante. Non solo rende più difficile la creazione di linee pure, ma può anche ostacolare l'incrocio di due individui strettamente imparentati. Ciò rende più difficile ottenere progressi nella selezione dei caratteri vegetali desiderati attraverso l'incrocio classico. Tuttavia, la conoscenza precisa dell'autoincompatibilità è fondamentale per poter utilizzare diverse strategie di selezione delle piante.
Decifrati i geni dell'autoincompatibilità delle graminacee
Chi siamo conosce poco le basi genetiche dell'autoincompatibilità nelle graminacee. Negli anni '60, gli scienziati delle piante hanno dimostrato che nel materiale genetico delle graminacee devono esserci due loci genici coinvolti nell'autoincompatibilità. Con i metodi disponibili all'epoca, i ricercatori non erano in grado di determinare quali geni fossero effettivamente coinvolti.
I ricercatori guidati da Bruno Studer, professore di Molecular Plant Breeding, hanno ora utilizzato il loglio inglese (Lolium perenneL.) I ricercatori sono riusciti a identificare per la prima volta i geni responsabili dell'autoincompatibilità e a determinare la sequenza dei loro elementi costitutivi (sequenza di basi del DNA). Il loglio inglese è una delle erbe da foraggio e da tappeto erboso più importanti al mondo.
"Dobbiamo questa scoperta ai progressi delle analisi del genoma. Solo negli ultimi anni ci hanno permesso di sequenziare in modo rapido e completo l'intero genoma di un singolo organismo".Bruno Studer
Studer lavora su questo tema da Chi siamo da oltre 15 anni insieme a ricercatori danesi, gallesi e statunitensi: nel 2006 ha trovato i geni che riducono la resa in semi delle graminacee da foraggio. Aveva cercato il contrario, cioè geni che aumentassero la resa in semi. In seguito, i geni trovati si sono rivelati essere quelli che svolgono un ruolo nell'autoincompatibilità. Nel 2017, il suo team è riuscito a restringere i due loci genici a pochi geni candidati e ora Studer e i suoi collaboratori hanno fornito una descrizione precisa dei tre geni che effettivamente costituiscono i loci genici.
"Dobbiamo la scoperta ai progressi delle analisi del genoma. Solo negli ultimi anni è stato possibile sequenziare in modo rapido e completo l'intero genoma di un singolo organismo", sottolinea Studer.
I risultati aprono nuove possibilità per l'allevamento di erbe da foraggio, ma anche di importanti colture erbacee autoimpollinanti per l'uomo, come il riso o l'orzo. Se i geni dell'autoincompatibilità sono noti, possono essere influenzati in modo specifico. Si possono disattivare, in modo da rendere possibile l'allevamento in linea di piante geneticamente uniformi. Oppure i geni che hanno perso l'autoincompatibilità possono essere introdotti nel genoma delle graminacee per ottenere popolazioni geneticamente diverse. Per Bruno Studer, una cosa è chiara: "Conoscere questi geni ci dà una base importante per controllare il meccanismo e utilizzarlo per la riproduzione".
Interazione tra due loci distanti
L'autoincompatibilità nelle graminacee si basa essenzialmente sull'interazione dei due loci genici (il gene S-Il focus e il Z-locus), che si trovano su cromosomi diversi.
I geni sono la base per tre diverse proteine che formano una sorta di meccanismo di blocco e chiave. Questo meccanismo riconosce se il polline che ha raggiunto il tessuto stigmatico è geneticamente simile o estraneo. Ciò innesca un segnale corrispondente che interrompe o continua il processo di fecondazione e lo porta a termine.
Studer e il suo team di scienziati vegetali stanno attualmente studiando le strutture delle proteine coinvolte e il modo in cui interagiscono per distinguere il polline estraneo da quello proprio. Per farlo, i ricercatori stanno utilizzando speciali metodi di intelligenza artificiale che calcolano la struttura delle proteine associate sulla base delle sequenze geniche e di modelli che simulano le interazioni di queste molecole.
Un meccanismo unico nell'evoluzione delle piante
I ricercatori hanno anche studiato come l'autoincompatibilità possa sorgere sulla base di due loci genici nella famiglia delle graminacee. I meccanismi precedentemente noti di altre famiglie di piante si basano su un solo locus genico. ? quindi probabile che, nella storia evolutiva delle graminacee, l'autoincompatibilità si sia sviluppata su due loci genici. Z-La copia del locus inizialmente raddoppiata e successivamente diversificata, cioè cambiata attraverso numerose mutazioni.
"Nel frattempo, abbiamo sequenziato questi due loci genici da un gran numero di piante erbacee. Possiamo vedere che il S-Il locus Z tende a mostrare una minore variazione e a diversificarsi ulteriormente, il locus Z-Al contrario, il secondo locus si modifica in modo meno marcato. Da ciò si deduce che il Z-Il locus genico potrebbe essere più antico in termini evolutivi", spiega Studer.
Nell'albero genealogico delle graminacee, i ricercatori sono riusciti a risalire al momento in cui si è verificata la duplicazione del locus e alla data in cui le specie di graminacee coltivate si sono differenziate l'una dall'altra. Sono stati anche in grado di riconoscere nell'albero genealogico quali erbe non hanno subito la duplicazione del locus e in quali specie l'autoincompatibilità è stata persa, ad esempio attraverso mutazioni.
Ma qual è il vantaggio evolutivo dell'autoincompatibilità basata su due loci genici? "A prima vista, sembra che questo apra molte più possibilità e flessibilità nella famiglia delle graminacee nel riconoscere il proprio polline", dice l'ETH. Questo potrebbe essere importante per la famiglia delle graminacee: con 16.000 specie diffuse in tutti i continenti, è una delle famiglie di piante più grandi e di maggior successo in assoluto.
Letteratura di riferimento
Rohner M, Manzanares C, Yates S, Thorogood D, Copetti D, Lübberstedt T, Asp T, Studer B: La mappatura fine e l'analisi genomica comparativa rivelano la composizione genica dei loci di autoincompatibilità S e Z nelle graminacee. Molecular Biology and Evolution, Volume 40, Issue 1, Gennaio 2023, msac259, DOI: pagina esterna10.1093/molbev/msac259